圖片來源：Pixabay

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來源 Science Nordic

撰文 Elise Kj?rstad

翻譯 武大可

編輯 戚譯引

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“整個宇宙被‘打包’成一個無限小的點(diǎn)，然后發(fā)生了爆炸，將組成如今宇宙的物質(zhì)散播到空間中?！薄祗w物理學(xué)家會告訴你，這條陳述中的所有內(nèi)容都錯了。

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“這完全不是我們認(rèn)識大爆炸的正確方式，”挪威奧斯陸大學(xué)（University of Oslo，UiO）教授、宇宙學(xué)和天體粒子物理學(xué)者Torsten Bringmann說。UiO 的理論物理教授 Are Raklev 也注意到，許多有關(guān)大爆炸理論的描述都描繪了一幅有誤導(dǎo)性的圖像，與大爆炸理論所描述的不同。他們向我們澄清了一些最普遍的誤解。

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真實的大爆炸：熱而致密

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首先，“大爆炸”真正所指的是什么？

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“大爆炸理論認(rèn)為，大約在 140 億年前，宇宙處于一個遠(yuǎn)比今天熱且致密的狀態(tài)，然后發(fā)生了大幅膨脹。這就是大爆炸理論，僅此而已?！盧aklev 說。從那以后，空間繼續(xù)膨脹，變得越來越冷。

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基于大爆炸理論，科學(xué)家們更清晰地了解了宇宙歷史，例如基本粒子何時形成，原子、恒星和星系何時形成。他們已經(jīng)很好地了解了宇宙年齡約 10-32 秒時所發(fā)生的事情。也就是 0.0000000000000000000000000000000001 秒，天體物理學(xué)家 Jostein Riiser Kristansen 在一篇文章中寫道。

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現(xiàn)在來看誤區(qū)。

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誤區(qū) 1： “這是場爆炸”

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Are Raklev 表示，“大爆炸”這個說法讓它聽起來像是一場爆炸，但這并不是一個準(zhǔn)確的描述。你會很快明白原因。

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20 世紀(jì) 20 年代初，數(shù)學(xué)家 Alexander Friedmann 發(fā)現(xiàn)愛因斯坦的廣義相對論提供了一個不斷膨脹的宇宙。比利時神父 Georges Lema?tre 也得到了相同的結(jié)論。

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很快，Edwin Hubble 發(fā)現(xiàn)星系的確正在遠(yuǎn)離彼此。星系正在離我們而去。來自星系的光是紅移的，這意味著波長變長，朝著光譜的紅色端移動。不僅如此，星系的退行越來越快。

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終有一天，幾乎所有我們現(xiàn)在能通過望遠(yuǎn)鏡觀察到的星系都會離開我們的視野，最終所有的恒星都在夜空中“熄滅”，觀察者將望向永恒黑暗的孤寂天空。幸運(yùn)的是，這離我們還很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。

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我們也可以反向來看這個故事。星系正在遠(yuǎn)離，意味著它們曾經(jīng)靠得很近?！叭绻惆颜麄€可觀測宇宙倒放回去，一切都將出現(xiàn)在一個非常非常小的區(qū)域內(nèi)，”Raklev 說。

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那么我們就到了大爆炸的時間點(diǎn)。這時發(fā)生了什么？

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很容易將大爆炸想像成一場爆炸，其中物質(zhì)被拋出，如同一顆手雷爆炸后飛射的木塊。“但在大爆炸中，擴(kuò)散出去的并不是物質(zhì)，”Raklev 說，“是宇宙本身在膨脹，時空本身在膨脹?！?/p>

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一場物質(zhì)向各個方向飛出的爆炸，并不是描述大爆炸的準(zhǔn)確圖景。

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誤區(qū) 2：“宇宙在更大的某物內(nèi)膨脹”

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其實并不是星系在互相遠(yuǎn)離，而是空間本身在膨脹。我們可以想象一個帶有葡萄干的生面團(tuán)，其中面代表空間，而葡萄干代表星系。隨著面團(tuán)膨脹，葡萄干自然會彼此離得更遠(yuǎn)，但它們并未在面團(tuán)中移動。Bringmann 用氣球的表面舉例。在未充氣的氣球表面畫上點(diǎn)，這些點(diǎn)之間的距離也會隨著氣球的膨脹而增大。

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“與此同時，星系也在受萬有引力的作用而發(fā)生移動——這是另一個效應(yīng)，”Rakelv 說。

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少數(shù)一些星系是藍(lán)移的，這意味著它們正在向我們靠近。但只有我們附近的少數(shù)星系是如此。在較大的距離上，這種效應(yīng)完全被哈勃定律所覆蓋——星系離我們遠(yuǎn)去的速度與距離成正比。事實上，在相距極遠(yuǎn)的點(diǎn)之間，距離增長的速度甚至超過了光速。

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面團(tuán)只能在烤箱內(nèi)的有限空間中膨脹。但宇宙呢？宇宙的“外面”是什么？

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宇宙不是在什么東西內(nèi)部膨脹?？茖W(xué)家不認(rèn)同宇宙存在邊界。我們所稱為可觀測宇宙的，像是一個直徑 930 億光年的氣泡。其中看起來離我們越遠(yuǎn)的地方，我們所觀測到的實際時間越早。而我們所能觀測或測量的范圍，不超過光從大爆炸時起向我們傳播的距離。

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也正是因為膨脹，可觀測宇宙的大小才反直覺地超過了 140 億光年（宇宙年齡約 140 億年）。但科學(xué)家計算出這個范圍以外的宇宙甚至更大，或許是無限的。

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看起來宇宙應(yīng)該是“平坦的。這意味著兩條平行的光束會保持平行，永不相交。如果嘗試去往宇宙的盡頭，你永遠(yuǎn)也無法到達(dá)。宇宙是無窮的。

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如果宇宙具有正曲率，則理論上可以是有限的。但這一情況類似于三維中的二維球面。如果試圖到達(dá)球面的“邊界”，無論從哪里出發(fā)，你都會最終回到起點(diǎn)。就像環(huán)游世界后回到了出發(fā)點(diǎn)。

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無論哪種情況，宇宙都在膨脹，并且它不是在什么東西內(nèi)部膨脹。不斷變大的無限宇宙也仍然是無限的。一個“球形”的宇宙并沒有邊界。

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圖片來源：Pixabay

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誤區(qū) 3：“大爆炸有一個中心”

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如果我們把大爆炸想象成一場爆炸，很容易認(rèn)為爆炸是由一個中心出發(fā)、向外發(fā)生的。這確實是一場爆炸的特征。

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但大爆炸并非如此。幾乎所有方向的全部星系都在遠(yuǎn)離我們，令人以為地球就是宇宙開始的中心。但這并不是事實。其他星系的觀測者也會看到同樣的現(xiàn)象，Bringmann 解釋道。

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宇宙中的所有部分都在同步膨脹。大爆炸并非在某個特定區(qū)域發(fā)生?！八l(fā)生在所有的地方?！盧akelv 說。

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誤區(qū) 4：“起初，整個宇宙都聚集在一個小小的點(diǎn)上”

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在大爆炸開始時，整個可觀測的宇宙的確是被聚集在很小的一塊空間中的。但整個宇宙怎么可能既是無限的，同時又具有極小的確定尺度呢？

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你可能會讀到，宇宙最初小于一個原子大大小，后來小于一個足球的大小云云。但這樣的類比給出了時空起初存在邊界的錯誤暗示。

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Raklev 說：“并沒有什么能表明宇宙在大爆炸發(fā)生時不是無限的。當(dāng)時的宇宙更小這一描述的意義是，當(dāng)時一米的尺度通過宇宙膨脹，對應(yīng)的是如今的數(shù)十億光年?！?/p>

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而當(dāng)我們在特定場合下討論宇宙的確切大小時，指的實際上是我們可觀測的宇宙。“整個可觀測的宇宙是來自于一個很小的區(qū)域，可以稱其為一點(diǎn)。但是這一點(diǎn)旁邊的點(diǎn)也同樣在膨脹，再旁邊的點(diǎn)也是如此。只是它們離得太遠(yuǎn)了，我們無法觀測到?！盧aklev 說。

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誤區(qū) 5：“宇宙無限小，高熱而致密”

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你或許聽說過宇宙是從一個奇點(diǎn)開始的。或者說它是無窮小而高熱的。這或許是對的，但很多物理學(xué)家不認(rèn)為這是正確的理解方式。

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根據(jù)宇宙學(xué)家 Steen H. Hanse 所說，奇點(diǎn)是一種對數(shù)學(xué)形式破壞的表達(dá)，不能夠被一般的物理學(xué)所描述。

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Bringmann 總結(jié)了大爆炸的意義：“今天的宇宙比昨天的要大一些，也比一百萬年前的要大一些。大爆炸理論正是將這一過程沿著時間向回推演。而進(jìn)行這樣的推演需要的理論工具正是廣義相對論?！?/p>

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“如果沿著時間向回如此推演，宇宙會越來愈小，越來越致密，溫度越來越高。最終達(dá)到一個極端小、極端熱、極端致密的狀態(tài)。這就是大爆炸理論：整個宇宙開始于這樣的狀態(tài)。而這一推演也只能到此為止?！盉ringmann 說。

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一直使用廣義相對論向回推演，當(dāng)體積變?yōu)榱?，理論上密度和溫度都會到達(dá)無窮。“這只是純粹的數(shù)學(xué)上的推論，超出了物理理論實際允許的范圍，”Bringmann 說，“當(dāng)?shù)竭_(dá)能量密度和溫度都如此之高的地步，我們所擁有的物理理論已經(jīng)無法描述了?！?/p>

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他說，物理學(xué)家需要不同的理論來描述這樣的狀態(tài)，也有一些人正從事這方面的研究?！拔覀冃枰裁磥砻枋鲞@樣的極端條件呢？我們需要進(jìn)入一個結(jié)合了引力和量子理論的領(lǐng)域。暫時沒有人能整合這兩種理論。量子引力理論恰恰被預(yù)期是無法給出所有東西回到同一點(diǎn)的結(jié)論的。”

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所以至少到目前為止，宇宙歷史的最早一點(diǎn)，仍對我們隱藏。

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參考來源：

https://sciencenorway.no/astronomy-astrophysics-physics/five-myths-about-the-big-bang/1831951?


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